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铁路车辆制造中焊接工艺及其自动化

发表时间：2020/6/12 来源：《基层建设》2020年第6期作者：刘敬堂

[导读] 摘要：本文从铁路铁路车辆制造的焊接工艺概述开始，分析了车辆制造中各板块的高效化焊接作业，确保焊接的质量所需要完成的基本事项，以及当下焊接作业的优点和缺点。

        青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司 266111
        摘要：本文从铁路铁路车辆制造的焊接工艺概述开始，分析了车辆制造中各板块的高效化焊接作业，确保焊接的质量所需要完成的基本事项，以及当下焊接作业的优点和缺点。
        关键词：铁路车辆；焊接；自动化；点焊；板块
        在国外疫情逐渐恶化的当下，我国铁路道路的技术公司却已成为孟加拉等国家的主力建设军。例如在2020年，中国铁建、中国电建等公司与孟加拉国家部签订了全面的公路铁路建设协议，为了全面建设该国的道路网，提升孟加拉国的贸易水平和经济发展水平。在这样的时代背景下，笔者作为铁路制造业的从业者，结合工作实践，分析了铁路车辆制造中焊接工艺及其自动化。
        1 铁路铁路车辆制造的焊接工艺概述
        近年来，在我国的交通铁路线上，不锈钢制造的铁路车辆、高铁车辆增加了很多。利用不锈钢制作的车体具有较好的耐腐蚀、耐用的特性，省去了车体涂漆的步骤，促进铁路车辆的轻量化发展，也降低了运行维修的成本。
        然而，不锈钢在高温受热状态时，硬度、柔韧性等材质特性会发生变化，容易发生热变形。在做不锈钢车体及其内饰配件的焊接时，广泛采用的是热影响小的电阻点焊。现在，汽车制造业发展到一般的电阻点焊都是采用的自动化机器设备和数控（NC）机床，大大的提高了车辆制造的生产效率[1]。
        2 车辆制造中的高效化焊接作业
        铁路车辆车体多是采用奥氏体不锈钢制造的，采用的是少涂漆的车体，各组装结合的部位多采用的是热影响较小的焊接工艺。
        2.1 车辆车体的结构
        主要分为车顶板块、端墙板块、侧墙板块和车底架这几个骨架结构部分组成的，各部分是特定尺寸规格的不锈钢板在压力机弯曲作用后，通过点焊结合作业来安装外板。这部分多采用的是定置式、轻便式的电焊机，处于由依赖手工操作到过渡为机器人或NC控制的作业，仍需工程师研发相关技术[2]。
        2.2 车顶板块
        这部分的装配过程是：在切割规定尺寸的不锈钢平板将其冲压为Z型后，弯成车顶椽子相合的弓形，应用自动化的焊接设备在该位置装配车顶波纹板。
        2.3 侧墙板块
        这部分是有自动化机械切割不锈钢平板并将其弯成帽形的侧柱，将帽形侧柱件夹持到规定位置后，焊接联结板到侧柱上。不锈钢车体的出入口周边的侧柱装配，也是需要将其安放在专业的铜制电极夹具上，再通过自动焊接机做紧密接结合。由于铁路车辆的长度一般比较长，几十米的侧墙板块是在完成各个小型侧墙板块后，应用自动化焊接工艺将各个有车窗、出入口的板块与车窗上部的幕板做好结合[3]。
        以往的铁路车体制造和装配中的车窗框架一般采用人工的轻便式点焊机，而随着科技的发展和技术工艺的提升，我国的车辆焊接中的自动化应用越来越广泛，机器精度也在不断提高。在几十米甚至几百米的铁路车辆的焊接中，积极利用自动电焊机完成接合工作，可以保障车辆生产的质量和准确性，也可以促进装配作业的效率的提升。另外，车辆车窗周边的骨架、柱件等焊接工作较小，一般采用人操作的轻便式点焊的方式来组装，细节性、灵活性这方面的自动化发展有待提高。
        2.4 端墙板块
        铁路车辆的端墙板块的装配一般是，通过便携式电焊机和TIG焊接工艺，将端墙板块的骨架组装完成后，利用自动电焊机来完成其外板的接合。当前这部分的自动化电焊机的主机设计为可以左右、前后移动的装置，从而在焊接工件时可以360度的旋转，保证了安装的多样化、准确性需求。
        2.5 车底架
        车底架就是车辆的底面地板部分，是车体的重要承重部分，对车辆的安全性要求影响比较大，因此需要格外的焊接紧密。一般是在通过轻便式X焊枪设备将枕木方向的横梁焊接在长长的侧梁上，这样装配好底架的梁结构。再利用自动化的电弧点焊技术，在多个焊点作业后将所用的波纹钢板接合到底架的结构梁上。

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        2.6 车体的总组装
        这部分是铁路车辆组装的重要工序，是指将前面组装完成的五部分——车顶板块、侧墙板（左右）、端墙板块（前后）、车底架——综合组装为箱型的车体结构。由于不同组装板块的焊接要求和板块细节不同，因此需要注意采用不同的焊接工艺。
        端墙板块和侧墙板块的接合涉及到电极间的焊接作业，需要从车底架下方和侧墙板侧面安装电极，选用轻便式X焊枪设备的间接通电点焊法来完成接合作业。
        侧墙板块和车顶板块的接合因为涉及可能的电极靠近，需要利用激光传感器，配合自动点焊机来在车顶的雨水槽部、完成不接触的自动化焊接工艺。
        可以看出，不锈钢车体的总组装需要多处点焊来完成装配作业，而现在逐渐普及、广泛应用的自动化的焊接施工能够大大的提升生产效率。
        3 确保焊接的质量
        传统电弧焊接的作业人员水平不一，技术水平低可能造成焊接质量低下、不合格，而现在科技带动了点焊作业的广泛利用，它不受作业人员个人技术水平的影响，而是通过焊接设备的操作培训学会调试参数后，即可保证焊接质量的标准化。操作者需要采集焊接构件的板件厚度的数据，设置点焊的熔深等参数条件，并保障定期的电极研磨，即可确保标准化、合格的焊接质量。
        3.1 设定焊接条件
        所有的点焊设备在需要设定点焊条件时，都是要根据每次焊接的板块的厚度，来组合设定熔深、熔核直径等参数，保障焊接截面的总体状况，防止点焊条件可能导致的爆燃问题的发生。
        3.2 拉伸试验
        为了保证焊接质量，在每天作业的开始都需要先对所有点焊机做试样点焊的试验，并用特定的设备进行拉伸试验，测量焊接区的强度是否大于基准值要求，从而确认焊接作业的质量。在运用电焊机前，考虑到随着焊接接合部位的电流热量的产生，可能会发生试样的拉伸试验不准确，因此应当采用与所需要焊接的不锈钢板组合相同的试样，来焊接并确认其拉伸剪切的强度。
        3.3 电极的研磨
        定期的电极研磨是保障点焊质量的重要条件，因为一旦电极的表面粗糙，其接触电阻值将会改变，影响相同电压下的电流值和输入热量，使得焊接作业的熔深不够。尤其是对自动化的焊接打点数多的作业内容，需要计算打点数，每当完成规定的焊点数时，就需要作业程序自动的研磨电极。这样的自动化定期研磨电极的工序，有效的防止了因不研磨、不按规定研磨所可能造成的人为失误。
        4 当下焊接作业的优点和缺点
        由于现在铁路车辆车体普遍采用不锈钢材料，而它的导热系数小，而且易受热影响而发生较大变形，所以铁路车辆制造的焊接作业多采用只有局部热量的点焊工艺来完成接合工作。科技的发展也带来了自动化焊接技术的发展，人工智能程序的操作能够有效的提升焊接作业的效率。
        铁路车辆焊接作业的缺点是，许多点焊由于需要利用电极夹住工件来完成焊接工作，会在焊接区留下一些坑洼，一定程度的降低了美观程度；但地面的点焊作业能够增加防滑性，增强了铁路乘客和乘务人员的安全性。
        点焊作业的另一个不足是水密性有待加强，由于点焊的焊缝之外都不是连续焊接，为了加强车辆的水密性会在各结合部位涂沾密封胶，但密封胶会随着时间发展而老化，需要后续的保养维护。而面对这些当前铁路车辆焊接作业的缺点和不足，我国在一些需要车辆的制造时还会采用激光焊接，弥补点焊的不足。
        参考文献：
        [1]基于数值模拟技术的列车天线梁产品焊接工艺放量预测[J]. 李凯,何广忠,王春生,张林儒,孙志鹏. 中国标准化. 2019(S2)
        [2]焊接工艺标准应紧跟焊接技术发展[J]. 管明华. 国外铁道机车与动车. 2015(06)
        [3]用于日本高速列车上的先进焊接工艺[J]. Sotaro Yamada,程金松. 国外机车车辆工艺. 2001(04)
        作者简介：刘敬堂（1972.5-）男山东省蓬莱市汉大学青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司研究方向:高铁部件、车体、车辆检验